(57)【要約】【課題】  燃料電池における水の凍結を防止して、起動時におけるトラブルを解消する。【解決手段】 電解質膜１２と、その一方の面に密着して設けられた燃料ガスの供給を受ける燃料極１４と、電解質膜１２の他方の面に密着して設けられた酸素含有ガスの供給を受ける酸素極１６と、これら燃料極と酸素極を両側から挟みつつ燃料極及び酸素極との間で燃料ガス及び酸素含有ガスの流路３８，４０を形成するセパレータ１８と、セパレータ１８の外側に配置され、燃料極１４及び酸素極１６の集電極となる集電板２４，２６とを備えてなり、セパレータ１８を、導電性粉末を含有する硬質ポリウレタンフォームで形成する。【選択図】     図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に密着して設けられた電極であって、燃料ガスの供給を受ける燃料極と、
前記電解質膜の他方の面に密着して設けられた電極であって、酸素含有ガスの供給を受ける酸素極と、
これら燃料極と酸素極を両側から挟みつつ燃料極及び酸素極との間で前記燃料ガス及び前記酸素含有ガスの流路を形成するセパレータと、
前記セパレータの外側に配置され、前記燃料極及び前記酸素極の集電極となる集電板とを備えてなり、
前記セパレータが導電性粉末を含有する硬質ポリウレタンフォームからなることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
セルユニットを複数積層した電池スタックに燃料ガス及び酸素含有ガス供給用のガス流路と、冷却液が流通する冷却通路とが備えられた燃料電池であって、
前記冷却通路に対して冷却液配管を介して接続され、前記冷却液を貯蔵する貯蔵タンクを備え、該貯蔵タンクが、硬質ポリウレタンフォームからなる断熱材で断熱されたことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に燃料電池の断熱構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の有している化学エネルギーを熱に変えることなく、電気化学的に直接電気エネルギーに変換する装置であり、従来より種々の構造のものが提案されている（例えば、下記特許文献１〜３など）。
【０００３】
図４は、特許文献２に開示された固体高分子型燃料電池の一般的なセル構造を示す断面図である。図示するように、そのセルユニットは、電解質膜１００と、この電解質膜１００を両側から挟んでサンドイッチ構造とするガス拡散電極としての燃料極１０１及び酸素極１０２と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつ燃料極１０１及び酸素極１０２とで燃料ガス及び酸素含有ガスの流路１０７，１０８を形成するセパレータ１０３，１０４と、セパレータ１０３，１０４の外側に配置されて燃料極１０１及び酸素極１０２の集電極となる集電板１０５，１０６とにより構成されている。
【０００４】
燃料極１０１に面したセパレータ１０３との間に形成された流路１０７には燃料ガスが、酸素極１０２に面したセパレータ１０４との間に形成された流路１０８には酸素含有ガスが、それぞれ供給され、各電極１０１，１０２へ拡散して電気化学反応に寄与する。すなわち、燃料極１０１に水素を含む燃料ガス、酸素極１０２に酸素含有ガスを供給すると、燃料極１０１では水素分子を水素イオンと電子に分解し、また、酸素極１０２では酸素と水素イオンと電子から水を生成する、以下の電気化学反応により発電が行われる。
【０００５】
燃料極：Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−
酸素極：２Ｈ＋ ＋ （１／２）Ｏ２ ＋２ｅ− → Ｈ２Ｏ
このように酸素極１０２では電気化学反応により水が発生し、この水はセパレータ１０４との間に形成された流路１０８を通って外部に排出される。この水は、燃料電池の定常運転時においては、電池スタックが約８０℃と比較的に高温に保持されることから問題にはならない。しかしながら、特に寒冷地の自動車に搭載する場合、従来のセパレータは一般に膨張黒鉛製や黒鉛含有樹脂製であり断熱性がないため、運転停止後、雰囲気温度が低下したときに、流路１０８内に残存した水が凍結してしまう。このように流路１０８内で水が凍結すると、燃料電池が起動できなくなったり、また凍結が原因でセパレータ１０４やその周辺部材が破損するおそれがある。
【０００６】
ところで、燃料電池、特に固体高分子型燃料電池において、有効な発電機能を継続して発揮させるためには、上記のようなセルユニットを複数積層してなる電池スタックに冷却通路を設け、この冷却通路に冷却用の水を流通させて燃料極１０１及び酸素極１０２を冷却して電池スタックを適正な温度（約６０〜１００℃）に維持する必要がある。しかしながら、特に寒冷地においては、運転停止時に、電池スタック内部の冷却通路や、配管内、循環ポンプなどで冷却用の水が凍結してしまう場合があり、その場合、直ちに起動できないという問題がある。
【０００７】
このような問題を解決するために、特許文献３には、図５に示す固体高分子型燃料電池システムが提案されている。この燃料電池は、電池スタック１１０に燃料ガス及び酸素含有ガス供給用のガス流路と、水あるいは１００℃以上の沸点を有する疎水性油が流通する冷却通路が備えられた燃料電池において、前記冷却通路に供給する液体を水あるいは疎水性油に切り替える切替手段１１１，１１２と、水及び疎水性油を適温に加熱するための加熱手段１１３を備え、停止時に冷却通路、配管１１４及び循環ポンプ１１５内の水を疎水性油に切り替え、起動時には昇温した疎水性油を冷却通路中などに供給して電池スタック１１０を急速に加熱するようにしたものである。
【０００８】
この特許文献３に開示された燃料電池であると、冷却用の水の凍結による起動時のトラブルをある程度解消できるものの、特に燃料電池を寒冷地の自動車に搭載する場合を考えてみると、水の貯蔵タンクもかなりの低温下に置かれることから、なお凍結の問題が生じる可能性がある。
【特許文献１】特開平８−３１４４２号公報
【特許文献２】特開平１０−８３８２４号公報
【特許文献３】特開２００３−１００３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、燃料電池における水の凍結を防止して、起動時におけるトラブルを解消することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る第１の燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に密着して設けられた電極であって、燃料ガスの供給を受ける燃料極と、前記電解質膜の他方の面に密着して設けられた電極であって、酸素含有ガスの供給を受ける酸素極と、これら燃料極と酸素極を両側から挟みつつ燃料極及び酸素極との間で前記燃料ガス及び前記酸素含有ガスの流路を形成するセパレータと、前記セパレータの外側に配置され、前記燃料極及び前記酸素極の集電極となる集電板とを備えてなり、前記セパレータが導電性粉末を含有する硬質ポリウレタンフォームからなることを特徴とする。
【００１１】
このようにセパレータを導電性粉末を含有する硬質ポリウレタンフォームで構成することにより、セパレータ本来の性能である導電性を保持しつつ、断熱性を発揮することで酸素極において発生する水の凍結を防止することができ、起動時のトラブルを解消することができる。
【００１２】
本発明に係る第２の燃料電池は、セルユニットを複数積層した電池スタックに燃料ガス及び酸素含有ガス供給用のガス流路と、冷却液が流通する冷却通路とが備えられた燃料電池であって、前記冷却通路に対して冷却液配管を介して接続され、前記冷却液を貯蔵する貯蔵タンクを備え、該貯蔵タンクが、硬質ポリウレタンフォームからなる断熱材で断熱されたことを特徴とする。
【００１３】
このように貯蔵タンクを硬質ポリウレタンフォームからなる断熱材で断熱することにより、寒冷地における冷却液、特に冷却用水の凍結を防止して、起動時のトラブルを解消することができる。
【発明の効果】
【００１４】
このように本発明によれば、燃料電池における水の凍結を防止して、起動時におけるトラブルを解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池の電池スタック１０の全体構造を示す断面図である。
【００１６】
この電池スタック１０は、固体高分子型の燃料電池であり、そのセルユニットは、電解質膜１２と、この電解質膜１２の一方の面に密着して設けられた電極であって燃料ガスの供給を受ける燃料極１４と、電解質膜１２の他方の面に密着して設けられた電極であって酸素含有ガスの供給を受ける酸素極１６と、これら燃料極１４と酸素極１６を両側から挟みつつ燃料極１４及び酸素極１６との間で燃料ガス及び酸素含有ガスの流路を形成する左右一対のセパレータ１８，１８とからなる。
【００１７】
より詳細には、電解質膜１２とその両側の燃料極１４及び酸素極１６とからなるサンドイッチ構造をセパレータ１８で挟んで複数積層したものから１つのセルユニット２０が形成されている。そして、このセルユニット２０を冷却プレート２２を間に挟んで複数積層し、この積層体の両側を挟み込むように冷却プレート２２を配置し、更にその外側を一対の集電板２４，２６で挟み込み、更にその両側から絶縁板２８，３０を介してエンドプレート３２，３４で挟み込み、ボルトなどの固定手段３６で締め付けることにより、電池スタック１０は構成されている。
【００１８】
電解質膜１２は、フッ素系樹脂などの高分子材料からなるイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。燃料極１４と酸素極１６は、白金などの貴金属からなる触媒をカーボンクロスなどの支持体に支持させてなる電極である。また、集電板２４，２６は、燃料極１４及び酸素極１６の集電極となるものであり、銅などの導電性材料からなる。更に、冷却プレート２２は、内部に冷却液が流通する冷却通路４４を備えており、不図示の貯蔵タンクから配管４６を通って冷却液が循環するように構成されている。
【００１９】
セパレータ１８は、導電性粉末を含有する硬質ポリウレタンフォームの発泡成形体よりなり、燃料極１４と酸素極１６に接する側面には複数の溝が形成されている。そして、燃料極１４に接する側面に設けられた溝により、セパレータ１８と燃料極１４との間には燃料ガスである水素含有ガスが供給される燃料ガス流路３８が形成され、この燃料ガス流路３８には、不図示の高圧水素タンクから延びる配管４２が接続されている。また、酸素極１６に接する側面に設けられた溝により、セパレータ１８と酸素極１６との間には酸素含有ガスとして空気（大気）が供給される酸素含有ガス流路４０が形成される。なお、セパレータ１８は、セルユニット２０の端に位置するもの１８ａについては、電極１４，１６に接する片面のみに溝が設けられており、その他のものについては両面に溝が設けられている。
【００２０】
ここで、上記導電性粉末としては、導電性を有する粉体であれば使用することができるが、黒鉛、カーボンブラックなどの導電性カーボン粉末が好ましく用いられる。また、粉末の形態としては、球形粒子状のものに限定されず、繊維状粉末、フレーク状粉末でもよい。
【００２１】
また、上記硬質ポリウレタンフォームとしては、独立気泡からなり、断熱性に優れる硬質ポリウレタンフォームであれば使用することができるが、好ましくは、発泡剤として水を使用した硬質ポリウレタンフォームを用いることであり、より詳細には、ポリオール化合物、ポリイソシアネート化合物および発泡剤を含み、更に、芳香族アミノ基及び／又はイミノ基を有する化合物を活性水素成分（但し水を除く）１００重量部に対して１０〜８５重量部使用し、ＮＣＯ／活性水素（当量比）が０．９０〜２．００であり、発泡剤として水単独もしくは水を含有する発泡剤を使用した硬質ポリウレタンフォームを用いることである。ここで活性水素成分とは、ポリオール、芳香族アミノ基及び／又はイミノ基を有する化合物、その他イソシアネート基と反応する活性水素を有する成分を意味し、ただし水を除く成分を意味する。
【００２２】
上記ポリイソシアネート化合物としては、公知の各種多官能性の脂肪族、脂環族および芳香族のイソシアネートを使用でき、例えばヘキサメチレンジイソシアネート（ＨＤＩ）、イソホロンジイソシアネート（ＩＰＤＩ）、４，４−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート（ＨＭＤＩ）、２，４−トリレンジイソシアネート（２，４−ＴＤＩ）、２，６−トリレンジイソシアネート（２，６−ＴＤＩ）、４，４−ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）などが挙げられる。また、ポリオール化合物としては、各種の公知の硬質ポリウレタン用ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、その他のポリオールを使用できる。
【００２３】
また、上記芳香族アミノ基及び／又はイミノ基を有する化合物としては、トリレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、キシリレンジアミン、３，３’−ジクロロ−４，４’−ジアミノジフェニルメタン、３，３’−ジエチル−４，４’−ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルエーテル、４，４’−ジアミノジフェニルスルフィド等の芳香族アミン、４，４’−ジ−sec−ブチル−ジアミノジフェニルメタン、４，４’−ジエチル−ジアミノジフェニルメタン等の芳香族イミンが例示される。
【００２４】
上記発泡剤として水以外の発泡剤として、例えば、ＨＣＦＣ−１４１ｂ、ＨＣＦＣ−２２、テトラフルオロエタン（ＨＦＣ−１３４ａ）、ペンタン、シクロペンタン、メチレンクロライド、パーフルオロカーボン、ギ酸、ギ酸メチル等が挙げられる。
【００２５】
上記セパレータ１８を作成する際には、硬質ポリウレタンフォーム原料に導電性粉末を添加しておいて、これを発泡成形することにより、導電性粉末を均一に分散させた硬質ポリウレタンフォームからなるセパレータを得ることができる。
【００２６】
このようにして作成されるセパレータ１８は、独立気泡である硬質ポリウレタンフォームからなるため、断熱性に優れ、またガス不透過性というセパレータ本来の特性も有する。更に、導電性粉末を添加することにより、導電性というセパレータ本来の特性も確保される。かかる導電性のため、導電性粉末は、硬質ポリウレタンフォーム中に１０〜５０重量％含有されることが好ましい。
【００２７】
以上よりなる第１の実施形態の燃料電池では、水素含有ガスが配管４２を通ってセパレータ１８の燃料ガス流路３８に供給されて燃料極１４に拡散し、また、酸素含有ガスとしての空気がセパレータ１８の酸素含有ガス流路４０に供給されて酸素極１６に拡散し、これにより上記した電気化学反応による発電が行われる。その際、酸素極１６では電気化学反応により水が発生し、この水は上記酸素含有ガス流路４０を通って外部に排出される。
【００２８】
その場合において、本実施形態の燃料電池であると、セパレータ１８が導電性粉末を含有する硬質ポリウレタンフォームからなるため、寒冷地などにおいて運転停止後に雰囲気温度が低下した場合でも、セパレータ１８自体の断熱性により酸素含有ガス流路４０内の水の凍結を防止することができる。そのため、燃料電池の起動時におけるトラブルを解消することができ、また、凍結による周辺部材の損傷などの問題も回避することができる。
【００２９】
〔実施例〕
上記セパレータを構成する硬質ポリウレタンフォームについて以下に実施例を挙げて説明する。
【００３０】
下記表１に示す配合液を調製し、そのポリオール成分をポリイソシアネート化合物である粗ジフェニルメタンジイソシアネート（Ｃ−ＭＤＩ）と急速混合し、モールド内に注入して、縦２００×横２００×厚み２ｍｍの発泡成形体を作製した。表中の各成分は以下の通りである。
【００３１】
（１）Ｃ−ＭＤＩ（ＭＲ−２ＯＯ）：日本ポリウレタン（株）製、粗ジフェニルメタンジイソシアネート、ＮＣＯ（％）＝３１％
（２）ＧＲ−３１Ａ：武田薬品（株）製、トリレンジアミンにプロピレンオキシドを付加したポリエーテルポリオール、水酸基価＝３８５mgＫＯＨ／g
（３）ＳＵ−４５０：三井東圧化学（株）製、シュークロースにプロピレンオキシドを付加したポリエーテルポリオール、水酸基価＝４５０mgＫＯＨ／g
（４）ユニリンク４２００：ＵＯＰ社製、４，４−ジ−sec−ブチル−ジアミノジフェニルメタン
（５）ＫＡＯ Ｎｏ.１：花王（株）製、テトラメチルヘキサメチレンジアミン（ＴＭＨＤＡ）
（６）ＳＨ−１９３：東レシリコン（株）製、整泡剤
（７）導電性カーボン粉末：ライオン（株）製「ケッチェンブラックＥＣ−６００ＪＤ」。
【００３２】
得られた発泡成形体について、導電性（体積抵抗率）と断熱性（熱伝導率）を測定した。体積抵抗率はＪＩＳ Ｋ７１９４に従い測定し、熱伝導率は熱伝導率測定装置（（株）アムコ製「ＡＮＡＣＯＮ ＭＯＤＥＬ−８８」）を用いて厚み方向について測定した。
【表１】
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表１に示すように、硬質ポリウレタンフォームに導電性カーボンを添加することにより、断熱性とともに導電性に付与することができ、特に導電性カーボンを５０〜２００重量部配合することにより、断熱性を保持しつつ、セパレータとして良好な導電性が付与されていた。
【００３３】
（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略を示す図である。
【００３４】
図示するように、この燃料電池システムは、電池スタック５０と、該電池スタック５０を冷却するための冷却液を貯蔵する貯蔵タンク５２とを備え、電池スタック５０と貯蔵タンク５２とは冷却液配管５４を介して接続されている。ここで、電池スタック５０としては、上記した第１の実施形態の電池スタック１０をそのまま使用することができ、あるいはまた、該電池スタック１０においてセパレータ１８を従来の膨張黒鉛製や黒鉛含有樹脂製としたものを使用することもできる。
【００３５】
この実施形態では、冷却液である水と疎水性油が１つの貯蔵タンク５２内に貯蔵されるようになっており、疎水性油と水の比重の違いにより、貯蔵タンク５２の上部に疎水性油が、貯蔵タンク５２の下部に水が、それぞれ分離した状態で貯蔵されている。そして、貯蔵タンク５２の底部には水の取り出し口５６が、貯蔵タンク５２の中央部付近には疎水性油の取り出し口５８が設けられ、それぞれ切替弁６０，６２を経て冷却液配管５４に接続されている。冷却液配管５４には循環ポンプ６４が設けられ、その後ヒータ６６を経て、電池スタック５０の冷却通路（上記図１の冷却通路４４）に接続されている。そして、該冷却通路において熱交換された後、戻り配管６８を経て貯蔵タンク５２に戻り、循環されるように構成されている。
【００３６】
この燃料電池システムでは、燃料電池停止時には、上記冷却通路中、冷却液配管５４，６８内、及び循環ポンプ６４内の冷却液を疎水性油に切り替え、水は貯蔵タンク５２に戻してから停止するようにし、起動時には、ヒータ６６で昇温した疎水性油を冷却液配管５４を経て冷却通路中に供給して電池スタック５０を加熱し、水の凍結のおそれをなくしてから冷却通路中に水を供給するように制御される。
【００３７】
このような燃料電池システムにおいて、本実施形態では、上記貯蔵タンク５２が硬質ポリウレタンフォームからなる断熱材７０で被覆され、これにより外気から断熱されている。これにより、寒冷地における貯蔵タンク５２での冷却用水の凍結を防止して、起動時のトラブルを確実に解消することができる。
【００３８】
なお、より好ましくは、貯蔵タンク５２から水の取り出し口５６を経て切替弁６０に至る配管部分にも、硬質ポリウレタンフォームからなる断熱材を被覆して外気から断熱することであり、これにより一層確実に冷却用水の凍結を防止することができる。また、硬質ポリウレタンフォームとしては、独立気泡からなり、断熱性に優れる硬質ポリウレタンフォームであれば特に限定なく使用することができる。
【００３９】
図３は、第２の実施形態の変更例を示す図であり、この例では、水及び疎水性油がそれぞれ別の貯蔵タンク５２ａ，５２ｂに貯蔵されている。すなわち、この例では、水は貯蔵タンク５２ａに貯蔵され、取り出し口５６から切替弁６０、冷却液配管５４、循環ポンプ６４を経て電池スタック５０の上記冷却通路に供給され、熱交換後、切替弁７２を備えた戻り配管６８ａを経て貯蔵タンク５２ａに戻る。また、疎水性油は、水とは別の貯蔵タンク５２ｂに貯蔵され、取り出し口５８から切替弁６２、冷却液配管５４、循環ポンプ６４を経て電池スタック５０の上記冷却通路に供給され、熱交換後、切替弁７４を備えた戻り配管６８ｂを経て貯蔵タンク５２ｂに戻る。その他の構成及び制御方法は上記した図２に示すものと同様であり、説明は省略する。
【００４０】
そして、この変更例においては、水を貯蔵する貯蔵タンク５２ａが硬質ポリウレタンフォームからなる断熱材７０で被覆されており、これにより外気から断熱されている。これにより、寒冷地における貯蔵タンク５２ａでの冷却用水の凍結を防止して、起動時のトラブルを確実に解消することができる。なお、この場合にも、水のみが通過する貯蔵タンク５２ａ周りの配管部分に、硬質ポリウレタンフォームからなる断熱材を被覆して外気から断熱することが好ましく、これにより一層確実に冷却用水の凍結を防止することができる。
【００４１】
なお、以上の第２の実施形態ではともに、冷却液として水と疎水性油を切り替え使用するものについて説明したが、本発明はこれに限られず、冷却液として水のみを循環させるものについても、その凍結を防止するために利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の電池スタックの断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池のシステム概略図である。
【図３】第２の実施形態の変更例に係る燃料電池のシステム概略図である。
【図４】従来の燃料電池のセル構造を示す断面図である。
【図５】従来の燃料電池システムの概略図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０，５０……電池スタック
１２……電解質膜
１４……燃料極
１６……酸素極
１８……セパレータ
２０……セルユニット
２４，２６……集電板
３８……燃料ガス流路
４０……酸素含有ガス流路
４４……冷却通路
５２，５２ａ……貯蔵タンク
５４……冷却液配管
７０……断熱材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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